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發現了 212 種同位素──亞斯頓誕辰 │ 科學史上的今天:09/01

1897 年,J. J. 湯姆森證實了陰極射線就是電子,沒想到第二年維因 (Wilhelm Wien) 發現還有陽極射線,也會因電場與磁場的作用改變方向。湯姆森自己摸索了幾年後,決定找個工藝強的人來幫忙,亞斯頓因此雀屏中選。結果他不但幫了湯姆森大忙,還送給全世界一個大禮。

亞斯頓原本一直都是研讀化學,畢業後還到釀酒廠工作了三年,結果興趣竟轉向物理。他 1903 年回到學校當研究助理,自己吹玻璃、製作真空幫浦,打造陰極射線管,研究氣體在管中放電的現象,沒多久就發現以他為名的「亞斯頓暗區」。如今湯姆森要研究陽極射線,亞斯頓自是最佳人選。

1910 年,亞斯頓來到卡文迪許實驗室,開始幫湯姆森製造氣體放電管。亞斯頓除了改進真空幫浦、電場及磁場裝置,還將相機整合進去,配合聚焦能力的改良,可以自動拍攝氣體離子的運動軌跡。1913 年,他們拍到氖離子兩道不同的拋物線軌跡,一個原子量 20,另一個原子量 22。因為氖的原子量是 20.2,因此湯姆森認為較重那個只是二氫化氖,但亞斯頓傾向只晚他一天出生的索迪 (Frederick Soddy) 不久前發表的主張:同一個元素可能有不同質量的同位素。

第二年爆發第一次世界大戰,亞斯頓加入空軍,負責研判氣象,直到 1919 年才返回卡文迪許實驗室。新任主任拉塞福對元素衰變原本就相當瞭解,事實上,這方面的研究正是索迪當他助理時,兩人一起做的,因此拉塞福非常鼓勵亞斯頓繼續研究同位素。

亞斯頓改良當初發明的氣體放電裝置,打造出結合離子源、質量分析器與偵測器的質譜儀,可以直接測量樣品的「質量─電荷比」,除了能從測出元素中各同位素的質量,還能根據強度測出它們的豐度。亞斯頓重拾戰前的研究,證明的確有氖 -20 與氖 -22 兩種同位素,而且兩者比例是 10 比 1,這也解釋了為什麼平常測量氖的原子量是 20.2。

亞斯頓繼續用質譜儀鑑定其它 53 種非放射性元素,結果發現了 212 種同位素,證明即使是穩定的元素也普遍存在同位素,完全顛覆了科學家的認知。同時亞斯頓也一舉解決了科學家長久以來百思不解的難題:為什麼各元素的原子量不是氫原子量的整數倍?亞斯頓發現各元素的同位素其實都是氫原子量的整數倍,但依比例混合後的平均值就不是整數了。

1921 年,提出同位素理論的索迪獲得諾貝爾化學獎;第二年,諾貝爾化學獎隨即頒予亞斯頓,以表揚他發明質譜儀發現大量同位素,並闡述了「整數法則」。亞斯頓還來仍繼續不斷改良質譜儀,而今各種不同原理的質譜儀更是在生物、製藥、考古、刑事……等等不同領域發揮極大的功用。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。